無人機傾斜攝影測繪技術(shù)在某項目土石方算量中的應(yīng)用

占游云 崔旭旺 嚴(yán)心軍 張紅勇 鮑大鑫

（1.中鐵建工集團有限公司建筑工程研究院，北京 100160；2.中國建筑業(yè)協(xié)會，北京 100044；3.中鐵云網(wǎng)信息科技有限公司，北京 100036）

引言

近年來，無人機傾斜攝影技術(shù)已在項目上得到廣泛應(yīng)用[1]，但是大部分用于實景建模的展示或者為各類GIS 平臺提供了基礎(chǔ)模型，模型本身的坐標(biāo)及高程等空間物理信息沒有得到充分利用，其測繪方面的價值沒有得到充分挖掘。傳統(tǒng)土石方測繪方法有水準(zhǔn)儀測量法、全站儀測量法和GPS 測量法(GPS-RTK)[2]。對測繪人員的操作經(jīng)驗及水平要傳統(tǒng)方法受場地影響大、作業(yè)效率低、具有一定危險性且人工成本高，在面對經(jīng)濟高速發(fā)展帶來的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目土石方工程測繪及算量任務(wù)復(fù)雜多樣，周期緊的局面亟待尋求一種高效、安全且經(jīng)濟的測量方法[3]。

無人機傾斜攝影測繪土石方測繪技術(shù)，通過無人機傾斜攝影外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程[3]，建立測區(qū)的數(shù)字三維地物傾斜實景模型，并將其導(dǎo)入到三維測圖坐標(biāo)采集軟件[4]中進(jìn)行坐標(biāo)采集和處理得到數(shù)字地形圖，最后將數(shù)字地形圖導(dǎo)入地形地籍成圖軟件，對不同涉及高程的區(qū)域進(jìn)行邊界繪制和高程計算，完成土石方量的計算。

無人機傾斜攝影測繪技術(shù)相對于傳統(tǒng)RTK 采集具有適用場景更豐富，作業(yè)效率更高，綜合投入更低，計算精度更高，數(shù)據(jù)交互更加便捷等優(yōu)點。

本文以麗水秀山公園項目為依托，實施無人機傾斜攝影土石方測繪和算量全流程應(yīng)用，航測地形數(shù)據(jù)滿足1：500 測繪精度，測繪成果及土石方算量成果滿足驗工需求。利用傾斜攝影測繪技術(shù)高效準(zhǔn)確計算土石方工程量，對類似工程具有很強的參考及推廣價值，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

1 工程概況

1.1 項目簡介

麗水秀山公園項目位于麗水市蓮都區(qū)秀山路邊三角地塊，東側(cè)為高速公路，西側(cè)為在建桐嶺路，南側(cè)為楓嶺街，項目含地下兩層停車場，地上一層輔助用房，其他為園林景觀建筑小品等公園景觀。項目占地面積51 232m2，總建筑面積59 050m2，其中地下停車場面積57 956m2，綠化面積35 870m2，基坑開挖深度9.5m，地表85 高程范圍66 ～73m。項目2021 年10 月即開工，2021 年底完成基坑開挖。項目效果圖如圖1 所示。

圖1 項目效果圖

1.2 測繪重難點分析

項目組接到測繪任務(wù)后，經(jīng)過分析，本項目的測繪重難點主要有以下四個方面：

（1）項目為地產(chǎn)的市政配套項目，且地產(chǎn)主體工程已經(jīng)完成，市政配套項目實施迫在眉睫，工期緊，場平和基坑開挖任務(wù)重，全面開展填挖方工作導(dǎo)致預(yù)留測繪時間短；

（2）項目地塊整體呈現(xiàn)帶圓弧的不規(guī)則三角形，測區(qū)范圍內(nèi)有小溪流、沼澤地，部分區(qū)域地面高差起伏較大、視野不通透，傳統(tǒng)方式測繪難度大，精度誤差大；

（3）測區(qū)有輸電塔等強磁干擾源，傳統(tǒng)測繪儀器可能無法正常工作；

（4）項目基坑開挖采取放坡開挖，二階邊坡存在多種坡度，設(shè)計高程較多，土方算量場景較為復(fù)雜。

2 無人機傾斜攝影測繪技術(shù)路線

面對以上測繪重難點，如果基于傳統(tǒng)測繪方式，測繪周期長、測繪難度大、測繪精度難以保證。為了在一周內(nèi)完成測繪和土石方算量工作，項目組通過對多種方案分析比選，不斷研究總結(jié)優(yōu)化，將新技術(shù)無人機傾斜攝影測繪技術(shù)和傳統(tǒng)方格網(wǎng)土石方算量方法進(jìn)行融合創(chuàng)新，形成了如圖2 所示土方算量流程圖。

圖2 無人機傾斜攝影土方算量流程圖

3 .無人機傾斜攝影測繪應(yīng)用實踐

項目組于2021 年11 月20 日～21 日完成本次航測外業(yè)，11 月22 日～28 日完成內(nèi)業(yè)處理和土石方算量成果整理和移交。項目測區(qū)范圍如圖3 所示，項目場地傾斜攝影模型如圖4 所示。

圖3 項目測區(qū)范圍KML

圖4 項目傾斜實景模型

本項目航測采用大疆P4RTK 無人機結(jié)合千尋CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 實施航測， 測區(qū)范圍約為440*400m，測區(qū)內(nèi)均勻交錯布置12 個像控點，利用ContextCaptureCenter（以下簡稱CCC）完成內(nèi)業(yè)處理和傾斜模型建模和輸出，CASS3D 完成傾斜模型高程點采集， CASS 10.1 進(jìn)行高程處理，最后結(jié)合設(shè)計高程和設(shè)計邊界進(jìn)行方格網(wǎng)土方算量，計算得出項目各區(qū)塊挖方334 244.30m3、填方14 265.1m3。方格網(wǎng)法土石方算量部分成果圖紙截圖如圖5(a)~(c)所示，算量結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 土方算量結(jié)果匯總

圖5 土石方算量圖紙

3.1 前期準(zhǔn)備工作

結(jié)合多個項目實踐的經(jīng)驗和教訓(xùn)，項目組做了如下前期準(zhǔn)備工作。

（1）相關(guān)地形測繪的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中包含《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50026）、《工程攝影測量規(guī)范》（GB 50167）、《傾斜數(shù)字航空攝影技術(shù)規(guī)程》（GB/T 39610）、《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005）、《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003）、《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3004）以及《無人機航空攝影成果質(zhì)量檢查與驗收》（CH/T 1054）等；

（2）整理相關(guān)施工圖，收集基本技術(shù)要求，本工程高程系為“1985 國家高程基準(zhǔn)”（設(shè)計標(biāo)高±0.000相當(dāng)于1985 國家高程的70.700m）；坐標(biāo)系為地方獨立坐標(biāo)系。項目基坑開挖設(shè)計高程為60.100m，邊坡坡度為1：1.5 和1：2，存在二階放坡，邊坡中間平臺高程為65.000m 和64.000m；

（3）市政控制點引測：采用RTK 將場外市政地方坐標(biāo)系點引到場內(nèi)；

（4）人員組織：像控點標(biāo)記人員1 名，像控點測繪人員2 名，無人機航測人員1 名，內(nèi)業(yè)處理人員1 名；

（5） 主要設(shè)備：大疆P4RTK 無人機一套、RTK一套、控制點放樣板一張、自噴漆若干以及手機一部，如圖6 所示；

圖6 主要設(shè)備

（6） 主要軟件：CCC、CASS3D、AutoCAD2016、CASS 10.1、圖新地球4 以及DJI Pilot，如圖7 所示。

圖7 主要軟件

3.2 外業(yè)流程

外業(yè)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量關(guān)系到模型精度，規(guī)范外業(yè)尤為關(guān)鍵，特別是像控點的布設(shè)，標(biāo)記和采集。主要流程如下：

（1）現(xiàn)場踏勘，無人機巡檢，測區(qū)規(guī)劃

通過對現(xiàn)場及其周邊地形地貌進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，初步確認(rèn)飛行邊界、飛行高度、重疊度、返航點、像控點布置的大概位置等；通過無人機巡檢，對航區(qū)內(nèi)和周圍的高大障礙物等有更明確的高度預(yù)判，結(jié)合無人機航飛高度理論計算公式（見公式1）、地面分辨率規(guī)范要求[5]（如表2 所示）和航線和旁向重疊度設(shè)置規(guī)范要求[5]（如表3 所示），確定初步飛行高度、航向和旁向重疊度等；根據(jù)總平面圖和踏勘巡檢結(jié)果，考慮傾斜攝影特點，在圖新地球中繪制出對應(yīng)的超測區(qū)10%左右的航飛區(qū)域邊界，導(dǎo)出對應(yīng)的KML 飛行范圍文件。

表2 地面分辨率

表3 航線和旁向重疊度

式中：

H ——航攝高度，單位為 m;

f ——鏡頭焦距，單位為 mm;

α ——像元尺寸，單位為 mm;

GSD ——地面分辨率，單位為 m，是指圖像中相鄰兩個像素中心的距離代表實際距離是多少，飛行高度決定了地面影像分辨率（GSD）。

（2）像控點布設(shè)、標(biāo)記和坐標(biāo)采集

根據(jù)測區(qū)特點，在測區(qū)范圍內(nèi)規(guī)劃均勻交錯布置12 個像控點[6]，利用自制的控制點放樣板及自噴漆，盡量選擇固定、平整、清晰易識別[7]、無陰影以及無遮擋區(qū)域的地方進(jìn)行標(biāo)記，并標(biāo)注對應(yīng)點號。利用RTK 結(jié)合場內(nèi)市政控制點，逐一對每個像控點進(jìn)行坐標(biāo)采集，并對每個像控點和周邊環(huán)境進(jìn)行手機拍照記錄，如圖6 所示。

（3）無人機航飛

將KML 導(dǎo)入無人機，對無人機進(jìn)行指南針校準(zhǔn)、云臺姿態(tài)校準(zhǔn)以及設(shè)置傾斜攝影飛行模式、對應(yīng)的飛行參數(shù)、飛行高度以及重疊度等，設(shè)置并連接千尋CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK，啟動程序開始無人機航測，如圖8所示。

圖8 無人機航飛

3.3 內(nèi)業(yè)流程

在完成像控點采集和航飛外業(yè)后，進(jìn)行精細(xì)化的內(nèi)業(yè)處理，主要包括以下流程。

（1）CCC 中空中三角測量計算和建模

CCC 中空中三角測量計算，像控點刺點，再次空中三角測量計算優(yōu)化[8]，三維重建傾斜模型OSGB 的輸出整理航飛照片，并導(dǎo)入到CCC 中，進(jìn)行第一次空中三角測量計算，對空三模型進(jìn)行檢查，避免錯位分層交叉，接著將像控點導(dǎo)入并逐一對含像控點的照片（5-10 張）進(jìn)行像控刺點完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[9]和區(qū)域網(wǎng)平差，完成刺點后進(jìn)行第二次空中三角測量優(yōu)化計算，再次檢查空三模型，導(dǎo)出空三報告，重點檢查空三精度，當(dāng)精度滿足要求時，即可進(jìn)行下一步三維重建傾斜模型OSGB 輸出操作。空三優(yōu)化成果如圖9 所示，傾斜模型如圖4 所示。

圖9 空三優(yōu)化成果

圖10 傾斜模型導(dǎo)入CASS3D 進(jìn)行采點

（2）傾斜模型OSGB 導(dǎo)入CASS3D 進(jìn)行坐標(biāo)高程點模擬采集和處理

在CASS3D 中對傾斜模型進(jìn)行模擬RTK 采點，接著通過剔除非地面點[10]（如地表的機械[9]，輸電塔，植被等）并插補高程點來完成地形的坐標(biāo)和高程點采集。

（3） CASS 10.1 中進(jìn)行方格網(wǎng)土方算量計算

在基礎(chǔ)總平面圖中，繪制不同設(shè)計高程區(qū)域的邊界，轉(zhuǎn)換設(shè)計高程，利用CASS10.1 對不同設(shè)計高程區(qū)域進(jìn)行方格網(wǎng)土方算量、輸出計算表格和方格網(wǎng)圖紙。整合并匯總所有區(qū)域的土方算量表格和圖紙，最終計算結(jié)果如圖5 所示，基坑方格網(wǎng)土方算量設(shè)置如圖11所示。

圖11 CASS10.1 方格網(wǎng)土方算量截圖

3.4 成果分析

通過對空三報告進(jìn)行整體和控制點精度分析，檢查點的RTK 測量值和傾斜模型的模擬采集值的對比[8]，模型與原勘察設(shè)計總圖的聯(lián)動對應(yīng)點的高程值抽樣對比等三個方面進(jìn)行多角度驗證測繪精度，誤差均小于0.05m，滿足1：500 地形圖測繪精度要求，如圖12 ～圖14 所示。

圖12 空三優(yōu)化后的報告

圖13 模型上檢查點坐標(biāo)和RTK 采點對比

圖14 模型與原勘察設(shè)計總圖的聯(lián)動對應(yīng)點的高程值抽樣對比

3.5 成果整理、驗收和交付

成果內(nèi)容包括土石方測量算量成果報告、算量成果圖紙和表格、原始航拍照片素材、像控點文件及模型文件。

4 總結(jié)與拓展

本文通過闡述無人機傾斜攝影在麗水秀山公園土方算量中的應(yīng)用實踐，充分體現(xiàn)了無人機傾斜攝影技術(shù)在實際工程測繪和土方算量中的價值，測繪精度以及算量成果滿足項目要求，為項目驗工提供了可靠的依據(jù)，為類似項目快速高效土石方算量提供了新技術(shù)參考和解決方案。

在經(jīng)濟效益方面，經(jīng)過測算分析和對比，無人機傾斜攝影測繪技術(shù)相對于傳統(tǒng)RTK 測繪在工程土石方量方法在適用場景，作業(yè)效率，綜合投入，測繪精度及數(shù)據(jù)交互五方面進(jìn)行對比，如表4 所示，技術(shù)經(jīng)濟效益顯著。

表4 無人機傾斜攝影測繪與傳統(tǒng)測繪對比

在社會效益方面，無人機傾斜攝影測繪土石方算量技術(shù)相對傳統(tǒng)測繪流程，野外作業(yè)時間短，對環(huán)境破壞影響更??；同時，人員設(shè)備投入更少，節(jié)約了資源；新技術(shù)減少野外作業(yè)外業(yè)風(fēng)險，用無人機代替人采集，以人為本；新技術(shù)在傳統(tǒng)的技術(shù)上進(jìn)行集成創(chuàng)新，流程上優(yōu)化和融合，屬于智能建造信息化技術(shù)，能有效推動行業(yè)發(fā)展，且具有較好推廣應(yīng)用前景。無人機傾斜攝影測繪在復(fù)雜區(qū)域中的應(yīng)用，比如地表地物較復(fù)雜（例如植被樹木較密集）的區(qū)域，測繪區(qū)域沒有網(wǎng)絡(luò)RTK 信號的場景下，無人機傾斜攝影能否高質(zhì)量完成測繪任務(wù)，雖然理論可行，但是仍舊需要進(jìn)一步的探索和實踐。